Prof. dr hab. Zbigniew W. Kundzewicz : Zmiany klimatu – projekcje i rzeczywistość

Nie ulega wątpliwości, że klimat ziemski ociepla się. Rysunek 1. przedstawia zmiany średniej rocznej temperatury globalnej według bazy danych GISS NASA. Na wyraźną tendencję wzrostową temperatury nakładają się jednak silne wahania (w górę i w dół) – temperatura globalna w konkretnym roku układa się czasem nieco pod (jak w latach 1999, 2000, 2008), a czasem nad (jak w latach 1998, 2005) linią trendu. Rosnącego trendu wartości rocznych temperatury globalnej nie zakłóca więc mroźna pogoda w Polsce w styczniu 2010. Okazuje się nawet, że – globalnie – styczeń 2010 był ciepły.

Każdy kolejny rok z ostatniego dwudziestolecia wpisuje się w obraz cieplejszego świata – średnia temperatura globalna każdego roku przewyższa średnią z dowolnego 30-lecia sprzed 1990, a dziesięciolecie 1998–2007 jest zdecydowanie najcieplejsze w historii globalnych obserwacji temperatury (rys. 1).
Oprócz skali globalnej, klimat ociepla się we wszystkich skalach przestrzennych, choć ocieplenie nie ma jednostajnego tempa. Rysunek 2. przedstawia zmiany średniej temperatury rocznej na stacji meteorologicznej w Poczdamie (źródło: Kundzewicz i Huang, 2010). Szeregi czasowe dziennych obserwacji zmiennych meteorologicznych z tej stacji od 1 stycznia 1893 dostępne są w internecie (www.klima-potsdam.de). Jak pokazuje rys. 2, temperatura rośnie coraz szybciej – średnie tempo ocieplenia w ciągu ostatnich 25 lat jest pięciokrotnie wyższe niż średnie tempo w ostatnich 100 latach.
Nie wszyscy zgadzają się w kwestii wyjaśnienia zaobserwowanego ocieplenia. Jednak w najnowszym raporcie Międzyrządowej Komisji Zmian Klimatu (IPCC, 2007), powołanej przez wyspecjalizowane organizacje z rodziny ONZ – Światową Organizację Meteorologiczną (WMO) i Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych (UNEP) znajdujemy mocne stwierdzenie – wzrost średniej temperatury globalnej od połowy XX wieku jest z bardzo dużym prawdopodobieństwem (oznacza to ponad 90 proc. szans) spowodowany wywołanym przez człowieka wzrostem stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze.

Istnieją mocne przesłanki ku stwierdzeniu, że obecne ocieplenie różni się w istotny sposób od wielu wcześniejszych okresów wzrostu temperatury (Kundzewicz i Kowalczak, 2008). Nie ma bowiem obecnie żadnego poważnego sposobu wytłumaczenia zaobserwowanego wzrostu temperatury globalnej prócz intensyfikacji tzw. efektu cieplarnianego w wyniku wprowadzenia przez ludzi dużych ilości gazów cieplarnianych do atmosfery. Od czasu rewolucji przemysłowej ludzkość przeprowadza eksperyment w skali planetarnej poprzez wprowadzanie do atmosfery ogromnych ilości dwutlenku węgla (spalanie węgla, ropy i gazu) oraz wylesienie w wielkiej skali, prowadzące do zmniejszenia możliwości wiązania dwutlenku węgla przez rośliny. W rezultacie atmosferyczne stężenie dwutlenku węgla, najważniejszego gazu „cieplarnianego”, wzrasta. Rośnie także atmosferyczne stężenie innych zasadniczych gazów cieplarnianych – przede wszystkim metanu (produkcja ryżu, hodowla, topnienie zmarzliny) i podtlenku azotu (rolnictwo). Dlatego „efekt cieplarniany” stał się bardziej intensywny. W efekcie „dach” naszej globalnej szklarni zatrzymuje coraz więcej promieniowania długofalowego emitowanego przez Ziemię, które uciekłoby w przestworza. Węgiel z paliw kopalnych, które powstawały w skorupie ziemskiej przez wiele milionów lat, jest uwalniany do atmosfery w postaci dwutlenku węgla w skali czasowej dziesięcioleci.
Nie ulega wątpliwości, że jedyną niezmienną cechą klimatu naszej planety jest to, że ulega on zmianom. Wielokrotnie w historii Ziemi okresy chłodniejsze przeplatały się z cieplejszymi. Mechanizmy zmian klimatu można podzielić na następujące cztery grupy:

– wahania promieniowania słonecznego (aktywność Słońca);
– zmiana parametrów ruchu Ziemi wokół Słońca (cykle zmian mimośrodu eliptycznej orbity, precesji i kąta nachylenia osi do płaszczyzny ekliptyki);
– zmiana składu ziemskiej atmosfery (gazy cieplarniane, pyły, aerozole);
– zmiana właściwości powierzchni Ziemi (współczynnik odbicia, retencja wodna).

Na pierwsze dwa mechanizmy człowiek nie ma wpływu, przebiegają one w sposób naturalny. Na pozostałe dwa mechanizmy wpływ mają zarówno czynniki naturalne, jak i człowiek. Uważa się, że właśnie te dwa ostatnie mechanizmy są w głównej mierze odpowiedzialne za ocieplenie.
Patrząc na zaobserwowane zmiany średniej temperatury globalnej w różnych skalach czasowych możemy starać się określić odpowiedzialność różnych mechanizmów za występowanie zmian klimatu. Czasem jest to dość łatwe, np. zaobserwowane w latach 1992–1993 stosunkowo małe przewyższenia długoletniej średniej temperatury z okresu kontrolnego 1961–1990 wytłumaczyć można krótkotrwałym zahamowaniem ocieplenia przez silną erupcję wulkanu Pinatubo na Filipinach w czerwcu 1991, która wprowadziła do atmosfery znaczną dawkę pyłów i aerozoli.
Choć globalne zmiany klimatu utożsamia się potocznie ze wzrostem temperatury, inne zmienne klimatyczne (np. opad, zachmurzenie, parowanie, szybkość wiatru) też ulegają zmianom (Kundzewicz i Kowalczak, 2008). Opady atmosferyczne, a także przepływy rzeczne, które stanowią najczęściej stosowaną charakterystykę odnawialnych zasobów wody słodkiej, uległy już dostrzegalnym zmianom – wzrosły w niektórych regionach świata (np. na północ od szerokości 30°N w okresie 1901–2005)¸ a zmalały w innych (np. między szerokościami 10°S i 30°N od lat 70. XX wieku).
Na znacznych obszarach charakter opadów zimowych zmienił się. Wskutek wzrostu temperatury maleją opady śniegu i pokrywa śnieżna (choć – rzecz jasna – nie każdej zimy; w styczniu i lutym 2010 śniegu było dużo), a rośnie kubatura i częstotliwość zimowych deszczów. Zmienia się też czasowy reżim procesów hydrologicznych, a więc ich rozkład sezonowy – wzrósł stosunek opadu zimowego do letniego (rys. 3). W cieplejszym klimacie rośnie również jednak intensywność opadów – dłuższe okresy posuszne przedzielane są intensywnymi opadami. Częstsze opady nawalne stają się problemem w szybko rozrastających się aglomeracjach, gdzie kanalizacja deszczowa zaprojektowana i wykonana była np. przed kilkudziesięciu laty, a w międzyczasie nastąpił znaczny wzrost liczby ludności i powierzchni nieprzepuszczalnych (Kundzewicz i Kowalczak, 2008).

Bardzo silne zmiany dostrzeżono w kriosferze (lodowcach i lodach, pokrywie śnieżnej i zmarzlinie). Kriosfera integruje zmienność klimatu, więc dynamika zasięgu i rozmiaru kriosfery jest pierwszorzędnym, bardzo wrażliwym wskaźnikiem zmian klimatu, reagującym nawet na małe zmiany bilansu cieplnego. Wyraźnym świadectwem globalnego ocieplenia jest obecne kurczenie się kriosfery – pokrywy śnieżnej, lodu i zmarzliny, z konsekwencjami dla ekosystemów i ludzi. Zdjęcia satelitarne dowodzą, że globalna powierzchnia pokrywy śnieżnej zmniejszyła się o 10 proc. w porównaniu z latami sześćdziesiątymi, zwłaszcza na wiosnę i w lecie. Obserwujemy (Lemke i in., 2007) masowe topnienie, kurczenie i wyraźne cofanie się większości lodowców górskich. Liczne rzeki i jeziora rzadziej zamarzają. Tam, gdzie to się jeszcze dzieje, znaczącym zmianom uległy daty zamarzania rzek i jezior i pękania pokrywy lodowej. Skraca się okres zlodzenia.
Podnosi się poziom oceanów (obecnie – w tempie ok. 3 mm rocznie) w wyniku rozszerzalności cieplnej (cieplejsza woda zajmuje więcej miejsca), a także topnienia kriosfery. Zauważalne ocieplenie wody morskiej sięga do głębokości 700 m.
Można próbować wnioskować o przyszłości poprzez ekstrapolację istniejącego trendu zmian temperatury oraz poprzez modele matematyczne, oparte na prawach fizyki. Badania modelowe wzmacniają argumenty o antropogenicznym podłożu obecnych zmian klimatu. Używając modeli matematycznych przy założeniu wymuszeń naturalnych (aktywność słoneczna, erupcje wulkanów) i antropogenicznych (wzrost atmosferycznych stężeń gazów cieplarnianych, wylesienie), jesteśmy w stanie odtworzyć zasadnicze cechy zaobserwowanego przebiegu wahań temperatury globalnej, w tym brak wzrostu, a nawet lekki spadek temperatury w latach 1945–1975. Natomiast zakładając wyłącznie naturalne wymuszenia, nie jesteśmy stanie wyjaśnić przebiegu temperatury w ciągu ostatnich 40 lat. Wymuszenia naturalne (zmienność promieniowania słonecznego, erupcje wulkanów) nie tłumaczą bowiem wzrostu temperatury w ciągu ostatnich dziesięcioleci.
Modele klimatu zgadzają się co do kierunku zmian temperatury (choć niekoniecznie co do wartości) do końca XXI wieku, przewidując wszędzie ocieplenie, przy czym silniejsze ocieplenie oczekiwane jest w wysokich szerokościach geograficznych na półkuli północnej. Zakres ocieplenia w horyzoncie roku 2100 dla różnych scenariuszy rozwoju i emisji, ale bez uwzględnienia ochrony klimatu, mierzony przez zbiór „najlepszych wartości” (ocena ekspercka – pojedyncza liczba w oparciu o zbiór modeli) odpowiadających scenariuszom, wynosi od 1,8 do 4,0°C w porównaniu z okresem 1980–1999 (czyli od 2,3 do 4,5°C w porównaniu z okresem przed-przemysłowym). Pomiędzy rozważanymi scenariuszami emisji są spore różnice jeśli chodzi o projektowany zakres zmian temperatur. Najmniej korzystny scenariusz zakłada, że rozwój gospodarki światowej przebiega szybko, ale głównie w oparciu o spalanie tradycyjnych paliw kopalnych. Gdyby ziścił się ten scenariusz, temperatura globalna do końca wieku wzrosłaby w zakresie 2,4–6,4°C w porównaniu z końcówką zeszłego stulecia. W najbardziej korzystnym scenariuszu (szybko bogacącego się świata postindustrialnego, w którym przemysł ma mały udział w wytwarzaniu dochodu narodowego, a energia dzięki nowym technologiom jest oszczędnie zużywana i pochodzi głównie z czystych źródeł) temperatury podniosą się w zakresie 1,1–2,9°C. Jak widać, nawet w najkorzystniejszym z rozważanych wariantów należy oczekiwać pewnego ocieplenia. Wszystkie z tych scenariuszy zakładają brak skoordynowanej polityki klimatycznej w sensie światowej redukcji emisji. Jak pokazała Konferencja Stron Konwencji Klimatycznej COP15 w Kopenhadze, bardzo trudno (o ile to w ogóle możliwe) dojść do światowych ograniczeń emisji, których przestrzeganie dałoby się egzekwować. Ponieważ globalny system klimatyczny cechuje się znaczną bezwładnością, dwutlenek węgla, który już wpompowaliśmy i jeszcze wpompujemy w atmosferę, będzie przez długie dekady wzmacniał efekt cieplarniany.
Dla terenu Polski projekcje przewidują do końca XXI wieku wzrost temperatury średniej rocznej o 3–3,5°C, wzrost temperatury zimy o 3,5–5°C (wyższy dla części wschodniej, a niższy dla zachodniej), a lata o 3–3,5°C (wyższy na południu, niższy na północy).
W wysokich szerokościach geograficznych i w części tropików modele klimatyczne zgodnie symulują kierunek przyszłych zmian opadu, przewidując jego wzrost. W niektórych obszarach podzwrotnikowych i w obszarach o średnich szerokościach (np. basen Morza Śródziemnego), modele klimatyczne również zgadzają się co do kierunku zmian, przewidując zmniejszanie się rocznej sumy opadów średnich. Między tymi strefami zgodnego wzrostu i zgodnego spadku opadów, a więc np. w Europie środkowej leżą obszary o znacznej niepewności projekcji, dla których symulacje z użyciem różnych modeli klimatycznych nie są zgodne nawet co do kierunku zmian.
Według modelowych projekcji zwiastujących wszechobecne ocieplenie, tendencje do wzrostu poziomu mórz i do kurczenia się kriosfery będą się nasilać. Bardzo szybko będzie zmniejszać się powierzchnia lodowców – do końca XXI wieku może zniknąć zupełnie połowa lodowców alpejskich. Gdy zabraknie wody z topniejącego śniegu i lodu, niskie stany wód staną się bardziej dotkliwe (Kundzewicz i Kowalczak, 2008). Topnienie lodowców chwilowo poprawia dostępność wody – przepływy rzeczne rosną, ale maleje ilość wody w stanie stałym, zgromadzona w tych wielkich lodowych i śnieżnych zbiornikach, które stworzyła natura. Kiedy jednak lodowce przestaną istnieć, średnie przepływy rzeczne zmniejszą się, a ich rozkład sezonowy ulegnie dalszym niekorzystnym zmianom. Jest to o tyle niepokojące, że ponad miliard ludzi (jedna szósta całej populacji świata) mieszka na terenach zasilanych przez wodę z topniejących śniegów i lodowców z wielkich łańcuchów górskich. Liczba ludności zasilanych z topnienia śniegów i lodowców rośnie.
Prawdopodobieństwo niekorzystnych konsekwencji zmian klimatu rośnie wraz ze wzrostem szybkości i amplitudy zmian (Stern, 2006). Dlatego przy znacznym ociepleniu może nie wystarczyć adaptacja w reakcji na już zaistniałe skutki zmian klimatu. Potrzebna jest aktywna ochrona klimatu (poprzez redukcję emisji i zwiększanie możliwości wiązania dwutlenku węgla, np. przez roślinność), by negatywne konsekwencje zmian klimatu w przyszłości nie przekraczały możliwości adaptacji. Dalsze ocieplenie jest nieuchronne, a więc w każdym razie potrzebna będzie adaptacja do zmian.

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) (2007) Summary for Policymakers. W: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K. B., Tignor M., Miller H. L. (red.) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-spm.pdf
Kundzewicz Z.W., Huang S. (2010) Seasonal temperature extremes in Potsdam (w druku).
Kundzewicz Z.W., Kowalczak P. (2008) Zmiany klimatu i ich skutki. Wydawnictwo Kurpisz SA, Poznań, 214 str.
Lemke P., Ren J., Alley R.B., Allison I., Carrasco J., Flato G., Fujii Y., Kaser G., Mote P., Thomas R.H., Zhang T. (2007) Observations: Changes in Snow, Ice and Frozen Ground. W: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H. L. (red.): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter4.pdf
Pińskwar I. (2009) Projekcja zmian w ekstremach opadowych w Polsce. Praca doktorska, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, 170 str.
Stern N. (2006) The Economics of Climate Change (The Stern Review). Cambridge University Press, Cambridge, UK, 692 str. www.sternreview.org.uk